CN101960341A - 偏振元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振元件，其利用金属片的等离子体共振波长根据照射于该金属片的光的偏振方向而不同的性质，并通过设为由如下金属片的聚集体构成的偏振器来实现，该金属片为如下：该金属片的、相对于该照射的光的传输方向大致正交的面内的几何截面的总和小于该光的照射区域的面积，并且该金属片的等离子体共振波长中的吸收截面的总和与该照射区域的面积相比为5倍以上。

Description

偏振元件

技术领域

本发明涉及一种偏振元件，尤其涉及一种利用由金属微粒子的形状各向异性引起的光吸收效率的差的偏振元件。

背景技术

偏振元件是指具有如下功能的光学元件，即透射在某特性方向上具有电场振动面的直线偏振波，而阻止在与此正交的方向上具有电场振动面的直线偏振波的透射(以下，在偏振元件中，将透射的光的电场振动方向记为“透射轴”，与透射轴正交的方向记为“消光轴”)。

偏振元件的特性通过如下因素评价，即在与元件的透射轴平行的方向上具有电场振动面的直线偏振波透射偏振元件时所受的损耗(以下，将该损耗记为“插入损耗”)、和具有与消光轴平行的电场振动面的直线偏振波透射偏振元件时的电场强度除以具备具有与透射轴平行的方向的电场振动面的直线偏振波透射偏振元件时的电场强度的值来进行评价(以下，将该值记为“消光比”)。具有良好特性的偏振元件是指插入损耗小且消光比高的元件。

作为使用金属微粒子的偏振元件，公知有由银或铜构成的针状金属微粒子分散成其长边方向在玻璃基体中沿特性方向取向的偏振玻璃(以下，将该偏振元件记为“金属微粒子分散型偏振玻璃”)。金属微粒子分散型偏振玻璃的制造方法例如在日本专利公开平5-208844号公报中详细记载，其要点如以下所示。

<1>将含有氯化亚铜的玻璃材料调合成为所希望的组成，在约1450℃下熔融这些之后，缓冷至室温。<2>之后，通过施以热处理，使氯化亚铜的微粒子在玻璃中析出。<3>析出氯化亚铜微粒子之后，通过机械加工制作具有适当形状的预制棒。<4>以预定条件拉伸预制棒而得到氯化亚铜的针状粒子。<5>通过在氢气氛中还原拉伸的氯化亚铜而得到针状金属铜微粒子。

并记载有如下要旨：通过这种制造方法制造在基材玻璃中分散短径：20～75nm、长径：120～350nm、纵横比(针状粒子的长径除以短径的商)：2.5～10的金属铜针状微粒子的金属微粒子分散型偏振玻璃。

专利文献1：日本专利公开平5-208844号公报

在前述的以往的金属微粒子分散型偏振玻璃中，实现了0.1dB以下的插入损耗与30dB以上的消光比，得到实用上几乎不成问题的性能。然而，如前所述，其制造工序为析出-拉伸-还原这种比较繁杂的工序，所以粒子形状的再现性未必一定良好，其结果有时也得不到所希望的消光比，在谋求稳定生产的方面上存在问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种形状控制性高且生产率高的偏振元件。

为了解决前述课题，根据本申请发明提供如下偏振元件：

作为第1实施方式的偏振元件，在对预定波长的光具有透射性的基体上包含配设成岛状的金属片的聚集体，并且利用该金属片的等离子体共振波长根据照射于该金属片的光的偏振方向而不同的性质来体现出所希望的偏振特性，其特征在于，该金属片的预定方向上的等离子体共振波长与照射于该偏振元件的光的波长大致相同，并且照射于该偏振元件的光的照射区域中的该金属片的、相对于该照射的光的传输方向大致正交的面内的几何截面的总和小于该光的照射区域的面积，并且该金属片的等离子体共振波长中的吸收截面的总和与该照射区域的面积相比为5倍以上；

并且，第1实施方式所涉及的作为第2实施方式的偏振元件，其特征在于，由对所希望的波长的光具有透射性的电介质包覆该金属片的聚集体；

并且，第1及第2实施方式所涉及的作为第3实施方式的偏振元件，其特征在于，金属片的形状为大致长方体形，并且在该金属片的聚集体中该大致长方体的最长的边沿大致一定的方向对齐；

并且，第1或第2实施方式所涉及的作为第4实施方式的偏振元件，其特征在于，该金属片的形状为大致椭圆柱形，椭圆的长轴沿大致一定的方向对齐；

并且，第1至第4实施方式中的任意一个所涉及的作为第5实施方式的偏振元件，其特征在于，该金属片的、与该照射的光的传输方向平行的方向的长度为该照射的光的波长的1/10以下，并且与该照射的光的传输方向正交的面内的该金属片的尺寸为1μm以下；

另外，第1至第5实施方式中的任意一个所涉及的作为第6实施方式的偏振元件，其特征在于，构成该金属片的金属为Al或以Al为主成分的合金。

发明效果

根据本发明构成的偏振元件可通过以一般纳米压印光刻为主体的工艺制造，生产率高且金属微粒子的形状及尺寸的控制性或再现性也相对于以往的金属微粒子分散型偏振玻璃优异，其结果可以谋求稳定的生产。

附图说明

图1是关于各种金属片，其衰减量对光的照射区域中的吸收截面Cabs的总和与照射区域的面积的比率的变化。

图2是关于各种金属片的面积占有率与衰减量的关系。

图3是去极化系数(depolarization factor)对吸收系数的光谱带来的影响。

图4是表示本申请发明所涉及的矩形微粒子配设型偏振元件的结构的一例的立体图。

图5是关于金属片为Ti时的面积占有率与衰减量的关系。

图6是关于金属片为Cr时的面积占有率与衰减量的关系。

图7是关于金属片为Al时的面积占有率与衰减量的关系。

图8是用于说明大致长方体形的意义的简要图。

图中：31-去极化系数为0.065时的吸收系数的光谱，32-去极化系数为0.108时的吸收系数的光谱，33-去极化系数为0.1867时的吸收系数的光谱，41-光学上透明的基板，42-基板41的表面，43-长方体形金属片，44-光学上透明的电介质膜。

具体实施方式

在充分小于光的波长的数十纳米左右的金属微粒子中，通过由其形状决定的分界来限制自由电子的移动，所以可以与均匀极化的电介质同样地处理该金属微粒子。此时，依存微粒子形状而在其内部形成反向电场而影响对从外部外加的电场(以下记为“外部电场”)的响应。尤其是若对外部电场的响应迟延，则产生能量损失，以某一预定频率共振吸收光。对外部电场的响应作为所谓介电响应ε(ω)表示，并由以下所示的(1)式给出。

[数1]

$\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=1+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)/{\mathrm{\&epsiv;}}_a-1}{1+[{\mathrm{\&epsiv;}}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)/{\mathrm{\&epsiv;}}_a-1]L}---\left(1\right)$

式(1)中，ω为照射的光的角频率，ε^*(ω)为构成微粒子的金属的角频率：ω中的复介电常数，ε_a为金属微粒子的周边介质的介电常数，L为根据微粒子的形状规定的去极化系数。

去极化系数是不依存微粒子的材质而仅根据形状规定的系数，只有在包含球的旋转椭圆体形时，才分析求出。例如球时的去极化系数成为1/3，并且纵横比约为3的旋转椭圆体时，其长径方向的值成为0.108。

并且，基于单一微粒子的光的吸收系数α由以下所示的(2)式给出。

[数2]

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;n_a^3}{L^2\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}}{{[{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_a\&CenterDot;(\frac{1}{L}-1)]}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;2}}---\left(2\right)$

式(2)中，n_a为金属微粒子的周边介质的折射率，λ为照射的光的真空波长，ε′和ε″为各角频率ω(波长：λ)中的复介电常数(ε^*(ω))的实部和虚部。

在图3示出利用式(2)计算出的关于银微粒子时去极化系数对吸收系数的光谱带来的影响。图中31是去极化系数为0.065时的光谱，32是去极化系数为0.108的光谱，33是去极化系数为0.1867时的光谱。计算时，银微粒子的周边介质的折射率设为1.45(介电常数：2.1025)，照射的光设为与旋转椭圆体的长轴方向平行的方向上具有电场振动面的直线偏振波。如图3所示，在任一去极化系数的情况下，吸收系数都在特定波长中变得极大。这种极大是因为银微粒子中的自由电子的振动与外部电场的振动(与照射的光的电场成分的振动对应)共振，通常作为等离子体共振现象而所知(以下，将产生等离子体共振的光的波长记为“等离子体共振波长”)。等离子体共振波长依存照射的金属微粒子的去极化系数，准确地说，依存与照射的光的电场振动方向平行的方向的去极化系数而变化，去极化系数减少的同时，等离子体共振波长移动至长波长侧。

针状形粒子时，与雪茄式旋转椭圆体粒子相同，长轴方向的去极化系数小于短轴方向的去极化系数，等离子体共振波长在两个方向上不同。在前述的以往的金属微粒子分散型偏振玻璃中，规定去极化系数，即针状微粒子的纵横比，以使针状金属微粒子的长边方向的等离子体共振波长与所希望的光的波长大体一致。在这种情况下，将所希望的波长的直线偏振波照射到针状金属微粒子时，当其电场振动面与针状金属微粒子的长轴方向一致时，由于基于金属微粒子的共振吸收，透射光的强度大大衰减。与此相反，当电场振动面与针状金属微粒子的短轴方向一致时，不产生基于金属微粒子的共振吸收，结果几乎不会衰减而透射针状金属微粒子。

以上是在金属微粒子分散型偏振玻璃中显现偏振效果的机构，是该偏振玻璃被称为“吸收型偏振元件”的原因。

然而，如前所述的去极化系数是根据微粒子的形状而决定的因子，原本就不限于旋转椭圆体，在一般形状中其形状上也存在特有的去极化系数。只不过只有在形状为包含球的旋转椭圆体时，才以分析数式表现。即，对于一般形状，可通过使用数值分析手法求出去极化系数。换言之，在微粒子的形状为长方体形时，也可以通过适当选定其纵、横及高度的尺寸比来实现前述的0.065等去极化系数。

另一方面，如前所述，图3所示的吸收系数α的大小与“吸收型偏振器”的消光比成比例。例如，若设想厚度为20nm的长方体形的微粒子(在此，“厚度”是指照射的直线偏振平面波所传输的方向的长度)、吸收系数α约为3(1/长度的因次)时，透射该长方体微粒子之后的光的强度成为exp(-60)，得到约-260dB的消光比。该消光比不论偏振元件的应用领域，大幅度超过其要求规格值。

本发明者们着眼于以上问题点，对于多个长方体形的金属微粒子在光学上透明的基板上配设成岛状的结构的偏振元件的偏振特性进行了深入研究，结果以至于完成本申请发明(以下，将这种结构的偏振器记为“矩形微粒子配设型偏振元件”)。

以下，对本申请发明所涉及的矩形微粒子配设型偏振元件进行具体说明。

图4是表示本申请发明所涉及的矩形微粒子配设型偏振元件的结构的一例的立体图。图中，41是光学上透明的基板，42是基板41的表面，43是长方体形的金属片，44是光学上透明的电介质膜。如图所示，根据本申请发明构成的矩形微粒子配设型偏振元件成为如下结构：在石英玻璃等的所希望的波长中具有光的透射性的玻璃基板或由蓝宝石等单晶构成的基板41的表面42上岛状配设多个具有数十纳米至数百纳米顺序的尺寸的长方体形的金属片43，且用在SiO2等所希望的波长中具有光的透射性的电介质膜包覆该片。

以下，对矩形微粒子配设型偏振元件的偏振效果进行说明。

如前所述，金属片43的等离子体共振波长由作为其材质的金属的介电常数和去极化系数决定。例如设想如下情况：将金属片43的长边方向的去极化系数设定成对照射的光的波长产生等离子体共振，并且金属片43的短边方向的去极化系数设定成从这些偏离。对于具体例用实施例进行说明，这种去极化系数的关系通过适当地设定长方体的各边的尺寸比来实现。

在这种结构中，从与基板表面42的法线方向大致平行的方向照射直线偏振波时，当该直线偏振波的电场振动面与长方体金属片43的长边方向平行时，通过在长方体金属片43的内部引起的等离子体共振来吸收照射的光的能量，透射光的强度大大衰减。与此相反，照射的直线偏振波的电场振动面与长方体金属片43的短边方向平行时，其能量不会因等离子体共振而损失。

以上是矩形微粒子配设型偏振元件的动作原理。

发明者们根据这种构思对金属种类及金属片43的基板表面42上的面积占有率对消光比带来的影响进行了研究，结果明确了存在以下叙述的异常现象，同时以至于完成本申请发明。

图5中示出关于金属种类为Ti时面积占有率与衰减量的关系。Ti片的形状为大致长方体形，长边、短边及高度(从基板表面的厚度的意思，以下相同)的尺寸分别是95nm、25nm及20nm。基板为石英玻璃，电介质膜为SiO₂。

在此，对本说明书中的“大致长方体形”进行说明。图8是示意表示金属片的平面形状(与照射的光的传输方向大致正交的面内的形状)的图。即，“大致长方体形”是指长方体的四角带圆的形状，这种的情况下的长边与短边分别指图中的1及w。

在该结构中，Ti片的长边方向的等离子体共振波长成为630～650nm。通过改变相同形状的Ti片的重复间距而使面积占有率变化。衰减量是以分贝表示照射与Ti片的长边方向平行的方向上具有电场振动面的直线偏振波时的透射的光强度与照射的光强度的比的量。

图中，●记号是实际得到的衰减量，用虚线表示的面积占有率与衰减量的关系中，衰减量是假设简单地与面积占有率成比例而利用以下的(3)式计算出的衰减量Igeo。

[数3]

$I_{\mathrm{geo}}=10\&CenterDot;\log \left[\frac{I_t\&CenterDot;s+I_o(1-s)}{I_o}\right]---\left(3\right)$

式(3)中，I_O是照射的光的强度、I_t是透射Ti片的光的强度、s是片的面积占有率。

如图所示，Ti片时，衰减量与面积占有率的增加一同增大，其值大致与单纯从面积占有率计算出的衰减量Igeo大体一致，此外，照射的光的电场振动面与Ti片的短边方向平行时，其衰减量不依存面积占有率而约为1dB。

在图6示出关于金属种类为Cr时，与图5相同的面积占有率与衰减量的关系。Cr片的形状为长方体，长边、短边及高度的尺寸分别是250nm、26nm及20nm。基板及电介质膜与Ti片时相同，为石英玻璃及SiO₂。在该结构中，Cr片的长边方向的等离子体共振波长成为630～650nm。通过改变相同形状的Cr片的重复间距而使面积占有率变化。

图6中，■记号是实际得到的衰减量，用虚线表示的面积占有率与衰减量的关系与图5相同地，衰减量是假设简单地与面积占有率成比例而计算出的量。Cr片时，与Ti片时相比，相同面积占有率中的衰减量较大，并且与用虚线表示的、所计算出的衰减量的差异也大。此外，照射的光的电场振动面与Cr片的短边方向平行时，其衰减量不依存面积占有率而约为1dB。

在图7示出关于金属种类为Al时，与图5、6相同的面积占有率与衰减量的关系。Al片的形状为长方体，长边、短边及高度的尺寸分别是180nm、25nm及20nm。基板及电介质膜与Ti、Cr片时相同，为石英玻璃及SiO₂。在该结构中，Al片的长边方向的等离子体共振波长成为630～650nm。通过改变相同形状的Al片的重复间距而使面积占有率变化。

图7中，◆记号是实际得到的衰减量，用虚线表示的面积占有率与衰减量的关系与图5、6相同地，衰减量假设是简单地与面积占有率成比例而计算出的量。Al片时，与Ti、Cr片时相比，相同面积占有率中的衰减量较大，并且与用虚线表示的、所计算出的衰减量的差异也大。此外，照射的光的电场振动面与Al片的短边方向平行时，其衰减量不依存面积占有率而约为0.5～0.7dB。

从图5至图7示出的结果中，应特别写出的现象是：虽然有程度之差，但在任何金属种类中，实际得到的衰减量大于简单地从面积占有率计算出的衰减量。本结果其理论依据尚未明确，但可以理解为暗示如下内容：在图4中，不仅是照射到金属片43的光，而且照射到不存在金属片的部分的光的一部分也通过金属片43“吸入”并衰减。在图2中示出关于从图5至图7所示的各金属片的综合了面积占有率与衰减量的关系的图。在相同面积占有率中，衰减量以Ti、Cr、Al的顺序依次变大，并且，实际上得到的衰减量与简单地从面积占有率计算出的衰减量的差异随着该顺序扩大。

即，根据发明者们的研究明确了矩形微粒子配设型偏振元件中的衰减量(与消光比对应)不仅依存金属片的吸收特性，而且还较大地依存这种“吸入效率”。

因此，发明者们着眼于等离子体共振中的作为“吸收截面”的概念，通过导入该概念发现了可以得到考虑前述的金属片的“吸入”能力的、面积占有率与衰减量的关系。等离子体共振中的吸收截面Cabs由以下所示的(4)式给出。

[数4]

$C_{\mathrm{abs}}=\frac{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;n_a^3\&CenterDot;V}{L^2\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}}{{[{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}+{\mathrm{\&epsiv;}}_a\&CenterDot;(\frac{1}{L}-1)]}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;2}}---\left(4\right)$

式4中，V是金属片的体积，其他参数与前述的式(3)相同。通过比较式(4)和式(3)可知：吸收截面是吸收系数α乘上金属片的体积V的值。

在图1示出关于各金属片，在光的照射区域中的、衰减量对从式(4)所得的吸收截面Cabs的总和与照射区域的面积的比率的变化。在此，吸收截面Cabs的总和与照射区域的面积的比率的意思未必限定于被照射到光的区域，例如在与照射到光的区域相比充分宽的区域中，与照射部相同地配设金属片时，意味着对于该区域的吸收截面的总和与其面积的比率。

如图所示，可知实际得到的衰减量几乎在一个曲线上分布。并且，如前所述，照射的直线偏振波的电场振动面处于与金属片的短边平行的方向时的衰减量若考虑不依赖于金属片的面积占有率而大致为1dB，则图中所示的衰减量几乎与消光比对应。

对偏振元件所要求的消光比根据其使用的领域而不同，但其最低值约为10dB左右。从图1，本消光比以吸收截面的总和与照射面积的比率为5以上来实现。

并且，根据本申请发明构成的矩形微粒子配设型偏振元件中，为实现其偏振特性，需有效地对所构成的各金属片产生等离子体共振。为此，主要条件是通过照射的光对各金属片外加均等的电场。因此，金属片的高度适合为照射的光的波长的1/10以下。并且，配设有金属片的基板表面与照射的光的传输方向完全正交时，由于对该表面外加均等的电场，所以只有在将该长边与短边的比率规定成照射的光的波长与金属片的等离子体共振波长一致时，才没有该尺寸所涉及的限制。然而，现实中不可能有“完全正交”的现象，所以作为这些尺寸优选为1μm以下。

以下利用实施例对于本申请发明进行更详细说明。

实施例1

使用真空沉积法在1英寸角的石英玻璃基板上成膜20nm厚度的Al薄膜。之后，使用纳米压印光刻及反应性离子蚀刻法在约5mm×5mm的区域形成由长边与短边分别为180及25nm的Al膜构成的金属片组。之后，用约400nm厚度的SiO₂膜包覆金属片组。

在本实施例中，如表1所示，通过使金属片的重复间距变化而制作几何面积占有率不同的矩形微粒子配设型偏振光元件。

用光谱仪测量以前述的方法制作的偏振元件的透射特性，结果金属片的长边方向的等离子体共振波长不依赖于几何面积占有率而为630～650nm。所以用波长为630nm、光束直径约为1mm的半导体激光对各偏振元件测量透射损耗和消光比。此外，关于透射损耗，不依存于几何面积占有率而在0.5～0.7dB的范围内为一定。将测量出的消光比、及形成有金属片组的区域(5mm×5mm)中的金属片的吸收截面的总和与该区域面积的比率以(吸收截面的总和)/(照射区域的面积)示于表1。此外，利用式(4)求出金属片的吸收截面。

[表1]

实施例2

本实施例中的矩形微粒子的配设型偏振元件的制作方法基本上与实施例1相同，但在本实施例中，将用真空沉积法形成的Al的膜厚设为15nm，并且将大致长方体形的长边与短边的长度分别设为140nm及26nm。

用光谱仪测量以前述的方法制作的偏振元件的透射特性，结果金属片的长边方向的等离子体共振波长不依赖于几何面积占有率而为620～650nm。所以用与实施例1相同的方法测量了透射损耗和消光比。此外，关于透射损耗，不依赖于几何面积占有率而在0.3～0.6dB的范围为一定。

将测量出的消光比、及与实施例1相同地形成有金属片组的区域(5mm×5mm)中的金属片的吸收截面的总和与该区域面积的比率以(吸收截面的总和)/(照射区域的面积)示于表2。此外，利用式(4)求出金属片的吸收截面。

[表2]

以上，用实施例对由Al构成金属片且其形状为大致长方体形的情况进行了详细说明。如前所述，只要是满足金属片的某特定方向的等离子体共振波长与照射的光的波长大致相同的主要条件，即使在其他金属片的形状，例如椭圆体柱形或椭圆形等中也可以得到本申请发明的效果，这是很明确的，无需重新提及。

工业实用性

根据本申请发明构成的偏振元件可以在以液晶投影仪为首的光学设备中广泛应用。

Claims (6)

1.一种偏振元件，在对预定波长的光具有透射性的基体上包含配设成岛状的金属片的聚集体，并且利用该金属片的等离子体共振波长根据照射于该金属片的光的偏振方向而不同的性质来显现出所希望的偏振特性，其特征在于，

该金属片的预定方向上的等离子体共振波长与照射于该偏振元件的光的波长大致相同，并且照射于该偏振元件的光的照射区域中的该金属片的、相对于该照射的光的传输方向大致正交的面内的几何截面的总和小于该光的照射区域的面积，并且该金属片的等离子体共振波长中的吸收截面的总和与该照射区域的面积相比为5倍以上。

2.如权利要求1所述的偏振元件，其特征在于，

由对所希望的波长的光具有透射性的电介质包覆该金属片的聚集体。

3.如权利要求1或权利要求2所述的偏振元件，其特征在于，

该金属片的形状为大致长方体形，并且在该金属片的聚集体中该大致长方体的最长的边沿大致一定的方向对齐。

4.如权利要求1或权利要求2所述的偏振元件，其特征在于，

该金属片的形状为大致椭圆柱形，椭圆的长轴沿大致一定的方向对齐。

5.如权利要求1至4所述的偏振元件，其特征在于，

该金属片的、与该照射的光的传输方向平行的方向的长度为该照射的光的波长的1/10以下，并且与该照射的光的传输方向正交的面内的该金属片的尺寸为1μm以下。

6.如权利要求1至5所述的偏振元件，其特征在于，

构成该金属片的金属为Al或以Al为主成分的合金。

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